專利名稱：一種非接觸式微量點樣頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是用于生物、化學(xué)試劑的非接觸式微量點樣裝置。更詳細地說，該裝置是由壓電驅(qū)動的點樣頭構(gòu)成的，采用噴射方式點樣，可以實現(xiàn)定量點樣；它可以是一個單獨工作的點樣頭，也可以是一個點樣頭陣列，陣列中每個點樣頭進樣不同可噴射不同種類的溶液。
背景技術(shù)：
近年來，生物芯片得到廣泛的應(yīng)用，在制造微陣列生物芯片中，需要在面積不大的基片表面以一種可尋址方式進行微量、定量點樣，制成DNA基因、蛋白質(zhì)或細胞的微陣列，通過在其上的雜交反應(yīng)或其他生物反應(yīng)實現(xiàn)高通量平行研究分析。
另外，微全分析系統(tǒng)近年來也發(fā)展很快，它是將樣品制備、生化反應(yīng)和結(jié)果檢測三個步驟集成在單一器件上，且能執(zhí)行特定的分析功能。它的出現(xiàn)不僅可使珍貴的生物樣品與試劑消耗大大降低到微升、納升級甚至皮升級，而且使分析速度大幅提高，費用成倍下降。它將改變生命科學(xué)的研究方式，革新醫(yī)學(xué)診斷和治療，極大地提高人口素質(zhì)和健康水平。在微全分析系統(tǒng)研究應(yīng)用中，常常用到能夠精確供給微量試劑的點樣裝置。即使在國外，實現(xiàn)納升和皮升量級點樣仍然沒有很好解決。
目前國內(nèi)常用的生物樣品點樣方法為接觸式點樣，它是將點樣針浸漬在樣品中，蘸取一定的溶液，再將針的末端接觸基片，從而實現(xiàn)點滴微量樣品的方法。這種方法的缺點是速度慢，因為蘸取溶液需要消耗一定的時間，同時兩次點樣之間還需對點樣針進行蘸樣；點樣容量不能連續(xù)調(diào)節(jié)，無法實現(xiàn)精確控制，不能定量；另外，點樣時針末端與基片發(fā)生接觸碰撞，不僅容易損傷基片，而且點樣針的末端容易磨損，點樣的直徑也會逐漸增大，因而存在針的耐久性、點樣不均勻等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有接觸式點樣頭的不足，設(shè)計一種壓電驅(qū)動的非接觸式點樣頭，實現(xiàn)了點樣容量的定量和精確控制以及點樣的連續(xù)性、穩(wěn)定性。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種非接觸式微量點樣頭，用于生物樣品或其它液體樣品的微量點樣，其是利用逆壓電效應(yīng)原理，使壓電陶瓷片振動，將樣品噴射到基片上，從而實現(xiàn)非接觸式微量點樣；其包括點樣頭主體，進樣管，驅(qū)動電壓引線，噴孔板；其中點樣頭主體為中空柱狀，其上端封閉，其下端封有噴孔板，噴孔板上設(shè)有噴孔；點樣頭主體的兩側(cè)壁上接有驅(qū)動電壓引線，點樣頭主體上部，垂直固接有進樣管，進樣管的自由端為進樣口；進樣口通過管道與待點樣品溶液相連通。
所述的點樣頭，其所述點樣頭主體是由壓電陶瓷、上蓋和噴孔板組成，其中，壓電陶瓷為U形槽狀，分為上下兩部分，上部為兩致動壁，下部為底座；兩致動壁上端通過一層彈性膠膜與上蓋相連，兩個致動壁、底座和上蓋共同圍成的腔體為儲液槽；在主體縱向上，儲液槽后端與進樣管相連通，前端為噴孔板固封，噴孔板上設(shè)有噴孔；兩個致動壁上接有驅(qū)動電壓引線。
所述的點樣頭，其工作方式為通過驅(qū)動電壓引線對U形槽狀壓電陶瓷的兩個致動壁，施加驅(qū)動電壓，驅(qū)動電壓的方向與壓電陶瓷的極化方向垂直，壓電陶瓷做厚度切變振動，使儲液槽的體積減小或增加，當(dāng)儲液槽的體積減小時，將樣品溶液定量地噴射到基片上；當(dāng)儲液槽的體積增加時，將樣品溶液由進樣管吸入儲液槽。
所述的點樣頭，其所述樣品溶液定量噴射，其噴射點樣液滴的大小，由噴頭結(jié)構(gòu)、噴孔尺寸和驅(qū)動脈沖幅度決定；噴出液滴的體積最小可達皮升級，實現(xiàn)微量、定量點樣。
所述的點樣頭，其所述噴頭結(jié)構(gòu)、噴孔尺寸在確定的情況下，點樣液滴的大小由驅(qū)動脈沖幅度來精確調(diào)節(jié)。
所述的點樣頭，其所述施加驅(qū)動脈沖，施加一個脈沖，導(dǎo)致一次噴射，噴出液滴總體積可由驅(qū)動脈沖數(shù)量來控制。
所述的點樣頭，其多個點樣頭側(cè)面銜接排列在一起，組成點樣頭陣列，陣列中，可對任意一點樣頭進行控制，每個點樣頭都可單獨工作或同其它點樣頭一同工作。
所述的點樣頭，其所述陣列中每個點樣頭都可單獨工作，進不同的液樣，即噴射出的不同溶液數(shù)，與點樣頭的個數(shù)相同。
本發(fā)明的點樣頭具有以下優(yōu)點1.能夠進行非接觸式點樣；2.采用不同大小的噴孔和驅(qū)動脈沖幅度，可實現(xiàn)微升、納升級甚至皮升量級試劑的點樣；3.單次噴射體積由驅(qū)動脈沖幅度控制；4.施加一個脈沖，導(dǎo)致一次噴射；5.點樣容量可精確控制并能實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)；6.點樣頭由壓電驅(qū)動工作，不需額外的壓力泵，減小了點樣頭的體積，為點樣頭的高密度集成提供了可能；7.可組成點樣頭陣列，陣列中每個點樣頭都可噴射不同種類的液滴，并可單獨工作。
本發(fā)明的點樣頭，可用作生物芯片點樣，微量生化試劑的精確供給，還可用做聚合物打印等等。


圖1為本發(fā)明點樣頭的結(jié)構(gòu)圖；圖2(a)是點樣頭主體橫向截面圖；圖2(b)詳細說明液滴的噴射過程；圖3為由本發(fā)明點樣頭組成的點樣陣列。
具體實施例方式
本發(fā)明中，壓電元件構(gòu)成了樣品溶液的儲液槽，施加電壓后，壓電元件向內(nèi)收縮，減小了儲液槽的體積，將樣品定量地噴射到基片上。
所述的點樣頭，施加驅(qū)動電壓的方向與壓電陶瓷的極化方向垂直，壓電陶瓷做厚度切變振動。
在壓電體上施加電場，壓電體就會發(fā)生機械形變，在壓電體上施加交變電場，壓電體就會發(fā)生振動，這就是逆壓電效應(yīng)。逆壓電方程為S＝sET+dtE極化后的壓電陶瓷是橫向各向同性，其電彈常數(shù)矩陣和六方晶系6mm點群的形式完全相同。若沿3軸極化，在1軸方向上施加電場，將壓電方程展開成矩陣形式后，可得S11＝S22＝S33＝S12＝S23＝0S13＝d15E1式中E為電場強度，E1＝V/h，V-驅(qū)動電壓，h-壓電陶瓷厚度此種振動模式稱為壓電陶瓷的厚度切變振動。由于只存在剪切形變，沒有伸縮形變，不存在模態(tài)間的耦合，因而損耗小，能量轉(zhuǎn)換率高。壓電剪切應(yīng)變常數(shù)d15在所有壓電應(yīng)變常數(shù)中數(shù)值最大，在無機械增益情況下，厚度切變振動模態(tài)的致動力最大。
下面結(jié)合附圖詳細介紹本發(fā)明的實施方式。
圖1是點樣頭的結(jié)構(gòu)圖，包括點樣頭主體1，進樣管2，驅(qū)動電壓引線3，噴孔4，噴孔板4a。其中點樣頭主體1為中空柱狀，其上端封閉，其下端封有噴孔板4a，噴孔板4a的中心位置設(shè)有噴孔4。點樣頭主體1的兩側(cè)壁上接有驅(qū)動電壓引線3，另兩側(cè)壁中的一側(cè)壁上部，垂直固接有L形進樣管2，進樣管2的自由端為進樣口。進樣口通過管道與待點樣品溶液相連通。
樣品溶液從進樣管2進入點樣頭主體1的中空內(nèi)腔中，該中空內(nèi)腔為儲液槽(圖中未標出)。將一個驅(qū)動脈沖加載于驅(qū)動電壓引線3后，將導(dǎo)致一次噴射，從噴孔4中噴出一個小液滴，落在基片上。液滴體積由噴孔大小和驅(qū)動脈沖幅度決定，噴出液滴的體積最小可達幾皮升，最大可達微升級。
圖2(a)是點樣頭主體橫向截面圖，同時參照圖1，點樣頭主體1是由壓電陶瓷5、上蓋7、噴孔板4a和進樣管2等幾部份組成，噴孔板4a和進樣管2分別位于點樣頭主體縱向的端部，因而在圖中沒有體現(xiàn)。點樣頭主體1截面包括壓電陶瓷5，彈性膠膜6，上蓋7，儲液槽8。其中，壓電陶瓷5為U形槽狀，分為上下兩部分，上部為致動壁51、52，是運動部件，下部為底座53。致動壁51、52上端通過一層彈性膠膜6與上蓋7相連，兩個致動壁51、52以及底座53和上蓋7共同圍成的腔體為儲液槽8。在縱向上，儲液槽8后端與進樣管2相連，前端為噴孔板4a固封，噴孔板4a上的噴孔4以粗環(huán)示出。
下面利用圖2(b)詳細說明液滴的噴射過程。致動壁51、52的極化方向向上，電場方向與極化方向垂直，致動壁51、52將做厚度切變振動。在左側(cè)致動壁51上施加正向電場，致動壁51將做順時針切變振動，由于底部受到底座53的限制，同時頂部膠膜6彈性較好，因而左側(cè)致動壁51將帶動膠膜6向儲液槽8內(nèi)部運動。同理，在右側(cè)致動壁52上施加反向電場，右側(cè)致動壁52將做逆時針切變振動，其結(jié)果也是向著儲液槽8內(nèi)部運動。兩個致動壁51、52的運動減小了儲液槽8的容積，在儲液槽8中產(chǎn)生正壓力波，正壓力波驅(qū)動液體向著噴孔板4a移動，最終從噴孔板4a上的噴孔4噴出，形成一個液滴。如果將兩個電場同時反向，壓電陶瓷5的兩個致動壁51、52將帶動膠膜6向儲液槽8外部運動，增大儲液槽8的容積，在液體中產(chǎn)生負壓力波，負壓力波驅(qū)動溶液由進樣管2進入儲液槽8。自制驅(qū)動電源可以使儲液槽8在擴大之后突然縮小，產(chǎn)生一個很大的朝向噴孔4的正壓力波。該壓力波足以克服噴孔4內(nèi)壁粘附和表面張力，將溶液從噴孔4噴射出去。
實施例1圖3是本發(fā)明的一個實施例，多個點樣頭側(cè)面銜接排列在一起，組成了點樣頭陣列。陣列中，可對任意一點樣頭進行控制，每個頭都可單獨工作或同其它頭一同工作。每個點樣頭的進液系統(tǒng)都是獨立的，因而有幾個點樣頭，就可以噴射出幾種不同的溶液。
權(quán)利要求
1.一種非接觸式微量點樣頭，用于生物樣品或其它液體樣品的微量點樣，其特征在于，是利用逆壓電效應(yīng)原理，使壓電陶瓷片振動，將樣品噴射到基片上，從而實現(xiàn)非接觸式微量點樣；其包括點樣頭主體，進樣管，驅(qū)動電壓引線，噴孔板；其中點樣頭主體為中空柱狀，其上端封閉，其下端封有噴孔板，噴孔板上設(shè)有噴孔；點樣頭主體的兩側(cè)壁上接有驅(qū)動電壓引線；點樣頭主體上部，垂直固接有進樣管，進樣管的自由端為進樣口；進樣口通過管道與待點樣品溶液相連通。
2.如權(quán)利要求1所述的點樣頭，其特征在于，所述點樣頭主體是由壓電陶瓷、上蓋和噴孔板組成，其中，壓電陶瓷為U形槽狀，分為上下兩部分，上部為兩個致動壁，下部為底座；兩個致動壁的上端通過一層彈性膠膜與上蓋相連，兩個致動壁、底座和上蓋共同圍成的腔體為儲液槽；在主體縱向上，儲液槽后端與進樣管相連通，前端為噴孔板固封，噴孔板上設(shè)有噴孔；兩個致動壁上接有驅(qū)動電壓引線。
3.如權(quán)利要求1或2所述的點樣頭，其特征在于，其工作方式為通過驅(qū)動電壓引線對U形槽狀壓電陶瓷的兩個致動壁，施加驅(qū)動電壓，驅(qū)動電壓的方向與壓電陶瓷的極化方向垂直，壓電陶瓷做厚度切變振動，使儲液槽的體積減小或增加，當(dāng)儲液槽的體積減小時，將樣品溶液定量地噴射到基片上；當(dāng)儲液槽的體積增加時，將樣品溶液由進樣管吸入儲液槽。
4.如權(quán)利要求3所述的點樣頭，其特征在于，所述樣品溶液定量噴射，其噴射點樣液滴的大小，由噴頭結(jié)構(gòu)、噴孔尺寸和驅(qū)動脈沖幅度決定；噴出液滴的體積最小可達皮升級，實現(xiàn)微量、定量點樣。
5.如權(quán)利要求3所述的點樣頭，其特征在于，所述噴頭結(jié)構(gòu)、噴孔尺寸在確定的情況下，點樣液滴的大小由驅(qū)動脈沖幅度來精確調(diào)節(jié)。
6.如權(quán)利要求3所述的點樣頭，其特征在于，所述施加驅(qū)動脈沖，施加一個脈沖，導(dǎo)致一次噴射，噴出液滴總體積可由驅(qū)動脈沖數(shù)量來控制。
7.如權(quán)利要求1或2所述的點樣頭，其特征在于，多個點樣頭側(cè)面銜接排列在一起，組成點樣頭陣列，陣列中，可對任意一點樣頭進行控制，每個點樣頭都可單獨工作或同其它點樣頭一同工作。
8.如權(quán)利要求7所述的點樣頭，其特征在于，所述陣列中每個點樣頭都可單獨工作，即噴射出的不同溶液數(shù)，與點樣頭的個數(shù)相同。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生物試劑微量點樣頭，可用于DNA合成、陣列生物芯片制造等。其是利用逆壓電效應(yīng)原理，使壓電陶瓷片振動，將樣品噴射到基片上，從而實現(xiàn)非接觸式微量點樣。在壓電陶瓷元件上加工出儲液槽，施加驅(qū)動脈沖后，壓電陶瓷元件發(fā)生收縮，而減小了儲液槽的體積，將樣品定量地噴射出去。施加驅(qū)動電壓的方向與壓電陶瓷的極化方向垂直，壓電陶瓷作厚度切變振動。點樣容量可精確控制并能實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，按要求可實現(xiàn)微升、納升和皮升量級的試劑點樣。多個點樣噴頭可組成陣列點樣頭，陣列中每個點樣頭都可噴射不同種類的液滴，并可單獨工作。
文檔編號G01N35/10GK1896744SQ200510012179
公開日2007年1月17日 申請日期2005年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月14日
發(fā)明者崔大付, 許立寧 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所